JP2016046082A

JP2016046082A - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP2016046082A
Application number: JP2014169269A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎 ▲高▼田; Shinichiro Takada; 和幸廣田; Kazuyuki Hirota; 徹江口; Toru Eguchi; 史顕馬場; Fumiaki Baba
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP6428045B2

Abstract

【課題】燃料電池に供給する水素ガスの圧力の、目標圧力への追従性を向上させることができる燃料供給装置を提供すること。
【解決手段】水素供給管６７を開閉して燃料電池５への水素ガスの供給及び遮断を制御する燃料供給弁６４と、燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力を検出する第２圧力センサ６６と、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となっていない場合、燃料供給弁６４を開閉させるとともに、第２圧力センサ６６によって検出された圧力に基づいて燃料供給弁６４を開いた時の燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力が予め設定された圧力を超えないように燃料供給弁６４を開く時間を制御して燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力を目標圧力まで上昇させるＥＣＵ７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給装置に関し、特に、水素ガスのような燃料ガスを供給する燃料供給装置に関する。

水素ガスを燃料とした燃料電池を搭載した車両では、燃料の水素ガスは、車両に固定された容器に最大７０[MPa]の高圧状態で貯蔵される。貯蔵容器と燃料電池の負極の間は、水素ガスを燃料電池に供給するための水素供給管により接続される。水素供給管には、水素供給管を全開または全閉して燃料電池への水素ガスの供給及び遮断を制御する電磁弁や、電磁弁の水素ガスの供給方向の上流側の圧力を調整する一次レギュレータや、電磁弁の供給方向下流側の圧力を調整する二次レギュレータなどが設けられている。水素ガスは、電磁弁が開かれると、一次レギュレータ及び二次レギュレータにより圧力が燃料電池に供給すべき目標圧力に調整され燃料電池に供給される。

ここで、正極が大気開放されている空冷式の燃料電池の場合、電磁弁が閉じられた燃料電池の停止後に水素ガスは負極から正極へ流れて大気中に放出される。これにより、二次レギュレータの供給方向下流の水素ガスも放出され、二次レギュレータの供給方向下流の水素供給管内は大気圧となる。このため、燃料電池の再稼働時に電磁弁が開かれると、電磁弁の供給方向上流と二次レギュレータの供給方向下流との圧力差により瞬間的に大きな圧力すなわちオーバーシュート圧力が二次レギュレータ供給方向下流の燃料電池へかかる。過大なオーバーシュート圧力が燃料電池へかかると、燃料電池の異常を検出するための圧力センサが異常圧力を検出したり、燃料電池の性能が劣化したり、燃料電池の破損の原因になったりするおそれがある。

また、水冷式の燃料電池の場合にも、燃料電池の停止後、水素ガスは大気中に放出されないものの、負極から正極に流れるため、空冷式の燃料電池と同様に電磁弁の供給方向上流と二次レギュレータの供給方向下流に圧力差が生じ、過大なオーバーシュート圧力が発生するおそれがある。

特許文献１には、所定の周期で所定の時間だけ水素供給管を開くことで供給方向下流側の圧力を調整することが可能なインジェクタを設け、このインジェクタの供給方向下流側の検出圧力と燃料電池に供給する水素ガスの目標圧力との偏差に基づいて、水素供給管を開く周期を短く設定してオーバーシュート圧力を抑制することが提案されている。

特開２０１１−１３８７９０号公報

しかしながら、このような特許文献１に記載の燃料供給装置にあっては、一定の周期で一定の時間だけしか水素供給管を開いていないため、燃料電池に供給する水素ガスの圧力を目標圧力に上昇させるのに時間がかかり、目標圧力への追従性が悪かった。
そこで、本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの圧力の、目標圧力への追従性を向上させることができる燃料供給装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する燃料供給装置の発明の一態様は、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクから供給される燃料ガスによって発電し電力を供給する燃料電池と、燃料タンクと燃料電池を接続する燃料供給管と、燃料供給管を開閉することで燃料電池に燃料ガスを供給させる燃料供給弁と、燃料供給弁を制御して燃料電池への燃料の供給を制御する制御部と、を備える燃料供給装置であって、燃料供給管の燃料供給弁の供給方向下流の圧力を検出する圧力検出部を備え、制御部は、燃料供給弁を開閉させるとともに、圧力検出部によって検出された圧力に基づいて、燃料供給弁を開いた時の燃料供給弁の供給方向下流の圧力が予め設定された圧力を超えないように燃料供給弁を開く時間を制御して、燃料供給弁の供給方向下流の圧力を目標圧力まで上昇させるものである。

このように本発明の一態様によれば、燃料電池に供給する水素ガスの圧力の、目標圧力への追従性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、その概念ブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、その制御系の構成を示す概念ブロック図である。図３は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、その燃料供給時間とオーバーシュート圧の関係を示すグラフである。図４は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、その燃料供給時間を求めるマップである。図５は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、そのオーバーシュート抑制制御処理を示すフローチャートである。図６は、燃料供給装置のオーバーシュート抑制制御による二次レギュレータの供給方向下流の圧力の変化を示すタイムチャートである。図７は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を示す図であり、そのオーバーシュート抑制制御による二次レギュレータの供給方向下流の圧力の変化を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置を搭載した車両１は、走行用モータ２と、モータコントローラ３と、電力変換装置４と、燃料電池５と、燃料供給系６と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７と、を含んで構成される。

走行用モータ２は、例えば、複数の永久磁石が埋め込まれたロータと、ステータコイルが巻きつけられたステータと、を備えた同期型モータで構成される。走行用モータ２は、ステータコイルに三相交流電力が印加されることでステータに回転磁界が形成され、この回転磁界によりロータが回転して動力を生成する。走行用モータ２の生成する動力は、不図示のトランスミッションにより変速され不図示の駆動輪に伝達され車両１を走行させる。また、走行用モータ２は、車両１の減速時に、駆動輪側から走行用モータ２側に動力が伝達されると、発電機として機能して回生電力を発生する。回生された電力は、電力変換装置４とモータコントローラ３との間に接続された、不図示のバッテリに蓄電される。走行用モータ２は、モータコントローラ３に接続されている。

モータコントローラ３は、三相交流電力を走行用モータ２に供給して走行用モータ２の出力トルクを制御する。モータコントローラ３は、ＥＣＵ７の出力するトルク指令信号に従って走行用モータ２に供給する三相交流電力の電流量を制御して走行用モータ２の出力トルクがトルク指令信号の指令トルクになるようにする。

電力変換装置４は、燃料電池５の発電した電力を走行用モータ２に適合するように変換するものである。
燃料電池５は、燃料供給系６から供給される水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。

燃料供給系６は、燃料タンクとしての水素タンク６１と、一次レギュレータ６２と、第１圧力センサ６３と、燃料供給弁６４と、二次レギュレータ６５と、第２圧力センサ６６と、水素供給管６７と、を含んで構成される。

水素供給管６７の一方端には水素タンク６１が接続されており、水素供給管６７の他方端には燃料電池５の負極側が接続されている。水素タンク６１は、燃料ガスである水素ガスを高圧の状態に圧縮して貯蔵するものである。水素タンク６１と水素供給管６７との間には、主止弁６１ａが設けられている。主止弁６１ａは、ＥＣＵ７によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。この主止弁６１ａが閉弁状態である場合、水素タンク６１内は密閉状態となる。

水素供給管６７の水素ガスが供給される方向である供給方向の主止弁６１ａよりも下流側には、一次レギュレータ６２、第１圧力センサ６３、燃料供給弁６４、二次レギュレータ６５、第２圧力センサ６６、が順に設けられている。

一次レギュレータ６２は、水素タンク６１から供給される水素ガスの圧力を、例えば、1.0[MPa]未満に減圧させる。第１圧力センサ６３は、一次レギュレータ６２の供給方向下流の圧力を検出する。燃料供給弁６４は、ＥＣＵ７によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。主止弁６１ａ及び燃料供給弁６４が開弁状態である場合には、水素タンク６１内の水素ガスが水素供給管６７を介して燃料電池５に供給される。一方、燃料供給弁６４が閉弁状態になった場合には、燃料電池５に水素ガスが供給されなくなる。

二次レギュレータ６５は、一次レギュレータ６２により減圧された水素ガスを更に減圧させて、水素ガスの圧力を燃料電池５に供給するべき圧力である目標圧力にする。第２圧力センサ６６は、燃料電池５へ供給される水素ガスの圧力を検出する。すなわち、第２圧力センサ６６は、本発明の圧力検出部を構成する。ここで、目標圧力は、燃料電池５に供給すべき水素ガスの圧力であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

ＥＣＵ７のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ７として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ７において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ７として機能する。

ＥＣＵ７の入力ポートには、前述の第１圧力センサ６３と、第２圧力センサ６６とを含む各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ７の出力ポートには、主止弁６１ａと、燃料供給弁６４とを含む各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ７は、燃料供給弁６４の開閉を制御して燃料電池５に水素ガスを供給させて燃料電池５に発電させる。ＥＣＵ７は、燃料電池５が発電した電力を電力変換装置４により走行用モータ２に適合するように変換させ、モータコントローラ３を制御して走行用モータ２を駆動させ、車両１を走行させるようになっている。

さらにＥＣＵ７は、図２に示すように、圧力変化率算出部７１を備えている。圧力変化率算出部７１は、予め設定された所定の時間間隔で第２圧力センサ６６の検出する圧力Ｐ１を参照し、所定の時間間隔での圧力Ｐ１の変化率、すなわち、今回の検出圧力Ｐ１_nと１つ前の検出圧力Ｐ１_n-1との差の、１つ前の検出圧力Ｐ１_n-1に対する割合を算出する。

ＥＣＵ７は、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となっていない場合、燃料電池５に供給する水素ガスの圧力を目標圧力にするように、燃料供給弁６４の開弁時間を制御して水素ガスを供給するようになっている。

燃料電池５を再起動する際など、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力は燃料供給弁６４の供給方向上流の圧力より低い圧力となっている。このような状態で、燃料供給弁を開くと、二次レギュレータ６５の供給方向下流に瞬間的に大きな圧力、すなわちオーバーシュート圧力がかかる。

図３に示すように、第２圧力センサ６６の検出する圧力Ｐ１が低いほど、また、燃料供給弁６４を開いている時間である燃料供給時間が長いほど、オーバーシュート圧力が高くなる。ＥＣＵ７は、オーバーシュート圧力が目標圧力となるように燃料供給時間を制御する。

このため、ＥＣＵ７は、図４に示すような、目標圧力と第２圧力センサ６６の検出する圧力Ｐ１とからオーバーシュート圧力が目標圧力となるような燃料供給時間が決まるマップをＲＯＭに記憶している。

ＥＣＵ７は、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となっていない場合、図４に示すようなマップにより、目標圧力と第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１から燃料供給時間を求め、この燃料供給時間に従って燃料供給弁６４を開いて水素ガスを供給させる。ＥＣＵ７は、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となるまで、図４に示すようなマップによる燃料供給時間だけ燃料供給弁６４を開く燃料供給を繰り返す。

ＥＣＵ７は、燃料供給弁６４を燃料供給時間だけ開いた後、圧力変化率算出部７１が算出する変化率の絶対値が予め設定された閾値α以下となって燃料電池５に供給される水素ガスの圧力が安定したと判断した場合、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となっているか否かを判定し、圧力Ｐ１が目標圧力になっていない場合、図４に示すようなマップによる燃料供給時間だけ燃料供給弁６４を開く燃料供給を行う。ここで、閾値αは、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力が安定したと判断される変化率の絶対値であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料供給装置によるオーバーシュート抑制制御処理について、図５を参照して説明する。なお、以下に説明するオーバーシュート抑制制御処理は、燃料電池５の起動時に実行される。

まず、ＥＣＵ７は、第２圧力センサ６６により二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１を検出させる（ステップＳ１１）。次いで、ＥＣＵ７は、圧力Ｐ１が前述の目標圧力に等しいか否かを判定する（ステップＳ１２）。圧力Ｐ１が目標圧力に等しいと判定した場合、ＥＣＵ７は処理を終了する。ここで、「等しい」とは、同一の値だけでなく、同一の値から予め設定された値までの値が含まれてもよい。

一方、圧力Ｐ１が目標圧力に等しくないと判定した場合、ＥＣＵ７は、圧力Ｐ１と目標圧力から、図４に示すようなマップにより燃料供給時間を求め（ステップＳ１３）、求めた燃料供給時間だけ燃料供給弁６４を開いて燃料供給を行う（ステップＳ１４）。

そして、ＥＣＵ７は、圧力変化率算出部７１の算出する圧力変化率を参照し（ステップＳ１５）、圧力変化率の絶対値が前述の閾値α以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。圧力変化率の絶対値が閾値α以下でないと判定した場合、ＥＣＵ７は、ステップＳ１５に戻って処理を繰り返す。
一方、圧力変化率の絶対値が閾値α以下であると判定した場合、ＥＣＵ７は、ステップＳ１１に戻って処理を繰り返す。

以上のように説明した本実施形態の燃料供給装置の作用について、図６、図７を参照して説明する。
図６に示すように、従来のオーバーシュート抑制制御処理では、第２圧力センサ６６により検出された二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１と目標圧力とからマップより求めた燃料供給時間ｔ１だけ燃料供給弁６４を開いて燃料供給を実施する。このとき、燃料電池５に高圧の水素ガスが流入するため、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１がオーバーシュート圧力である目標圧力まで一気に上昇してから、燃料供給開始前の圧力より高く、オーバーシュート圧力より低い圧力まで降下して圧力の変化が安定する。

第２圧力センサ６６により検出される圧力Ｐ１の圧力変化率の絶対値が閾値α以下となると、再び燃料供給時間ｔ１だけ燃料供給弁６４を開いて燃料供給を実施する。このとき、燃料供給前の二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１は、前回の燃料供給時よりも高くなっているため、図３に示すように、同じ燃料供給時間ｔ１では、オーバーシュート圧力は目標圧力よりも低下し、燃料供給後の圧力の変化が安定したときの圧力の上昇量も低くなる。
このような燃料供給時間ｔ１の燃料供給を繰り返し、オーバーシュート圧力を抑制しながら、時間Ｔ１が経過した時点で第２圧力センサ６６により検出される圧力Ｐ１が目標圧力と等しくなると、オーバーシュート抑制制御処理を終了する。

本実施形態のオーバーシュート抑制制御処理では、図７に示すように、まず、第２圧力センサ６６により検出された二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１と目標圧力とからマップより求めた燃料供給時間ｔ１だけ燃料供給弁６４を開いて燃料供給を実施する。このとき、燃料電池５に高圧の水素ガスが流入するため、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１がオーバーシュート圧力である目標圧力まで一気に上昇してから、燃料供給開始前の圧力より高く、オーバーシュート圧力より低い圧力まで降下して圧力の変化が安定する。

圧力変化率算出部７１の算出する圧力変化率が閾値α以下となると、再び二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１を検出し、圧力Ｐ１と目標圧力とからマップより燃料供給時間ｔ２を求め、燃料供給時間ｔ２だけ燃料供給弁６４を開いて燃料供給を実施する。このとき、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１のオーバーシュート圧力が再び目標圧力まで一気に上昇してから、燃料供給開始前の圧力より高く、オーバーシュート圧力より低い圧力まで降下して圧力の変化が安定する。このため、圧力の変化が安定したときの圧力が従来のオーバーシュート抑制制御処理での圧力より高くなる、

同様に、燃料供給時間をｔ３、ｔ４として燃料供給を実行する度にオーバーシュート圧力が目標圧力まで上昇し、二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１が上昇するため、図４のマップに基づいて、燃料供給時間はｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４と長くなりながら二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１は目標圧力に近づく。

そして、燃料供給時間ｔ４の燃料供給が終了した時間Ｔ２が経過した時点で、圧力変化率算出部７１の算出する圧力変化率が閾値α以下となり、かつ、第２圧力センサ６６により検出される圧力Ｐ１が目標圧力と等しくなると、オーバーシュート抑制制御処理を終了する。

第２圧力センサ６６により検出される圧力Ｐ１が上昇するに従い、燃料供給時間を長く設定することで、オーバーシュート圧力を目標圧力まで上昇させて、燃料供給を開始してから二次レギュレータ６５の供給方向下流の圧力Ｐ１が目標圧力になるまでの時間Ｔ２をＴ１より短くすることができ、従来のオーバーシュート抑制制御処理よりも目標圧力への追従性を向上させることができる。

このように、上述の実施形態では、第２圧力センサ６６の検出した圧力Ｐ１が目標圧力となっていない場合、燃料供給弁６４を開閉させるとともに、第２圧力センサ６６によって検出された圧力に基づいて燃料供給弁６４を開いた時の燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力が予め設定された圧力を超えないように燃料供給弁６４を開く時間を制御して燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力を目標圧力まで上昇させるＥＣＵ７を備える。

これにより、燃料供給弁６４を開いた時のオーバーシュート圧力が予め設定された圧力を超えないように燃料供給弁６４を開く時間が制御され、燃料供給弁６４を開く毎にオーバーシュート圧力を予め設定された圧力に抑えた燃料供給時間で燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力が上昇し、燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力を目標圧力まで早く上昇させることができ、目標圧力への追従性を向上させることができる。

また、燃料供給弁６４を開いた時の燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力が目標圧力となるように燃料供給弁を開く時間を制御する。
これにより、燃料供給弁６４を開く毎にオーバーシュート圧を目標圧力に抑えた燃料供給時間で燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力が上昇し、燃料供給弁６４の供給方向下流の圧力を目標圧力まで早く上昇させることができ、目標圧力への追従性を向上させることができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１車両
５燃料電池
６燃料供給系
７ＥＣＵ（制御部）
６１水素タンク
６１ａ主止弁
６２一次レギュレータ
６３第１圧力センサ
６４燃料供給弁
６５二次レギュレータ
６６第２圧力センサ（圧力検出部）
６７水素供給管
７１圧力変化率算出部

Claims

燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給される前記燃料ガスによって発電し電力を供給する燃料電池と、
前記燃料タンクと前記燃料電池を接続する燃料供給管と、
前記燃料供給管を開閉することで前記燃料電池に前記燃料ガスを供給させる燃料供給弁と、
前記燃料供給弁を制御して前記燃料電池への燃料の供給を制御する制御部と、を備える燃料供給装置であって、
前記燃料供給管の前記燃料供給弁の供給方向下流の圧力を検出する圧力検出部を備え、
前記制御部は、前記燃料供給弁を開閉させるとともに、前記圧力検出部によって検出された圧力に基づいて、前記燃料供給弁を開いた時の前記燃料供給弁の供給方向下流の圧力が予め設定された圧力を超えないように前記燃料供給弁を開く時間を制御して、前記燃料供給弁の供給方向下流の圧力を目標圧力まで上昇させる燃料供給装置。
前記制御部は、前記燃料供給弁を開いた時の前記燃料供給弁の供給方向下流の圧力が前記目標圧力となるように前記燃料供給弁を開く時間を制御する燃料供給装置。